變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的研究

王文燦　宋維華　葉霞　陳代

摘要：目前，變頻器在電力、冶金、化工、造紙、機(jī)械等場(chǎng)合的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出普遍化、趨勢(shì)化、多樣化。在電機(jī)節(jié)能、調(diào)速以及工況改善等方面應(yīng)用的變頻器越來(lái)越多。在同一工業(yè)系統(tǒng)中，不同作用的變頻器分布在不同的位置空間，生產(chǎn)過程中，每一環(huán)節(jié)都需要監(jiān)視與控制。對(duì)變頻器實(shí)行集中監(jiān)控是提高自動(dòng)化的重要舉措。本文中采用PLC+觸摸屏作為監(jiān)控系統(tǒng)主體。監(jiān)控系統(tǒng)除了能夠反映與之相連接的變頻器的運(yùn)行參數(shù)，還能夠?qū)ψ冾l器近期運(yùn)行參數(shù)生成歷史趨勢(shì)圖，變頻器若出現(xiàn)報(bào)警錯(cuò)誤或故障，監(jiān)控系統(tǒng)亦能夠及時(shí)顯示故障，并給出對(duì)應(yīng)故障的處理建議，以便排除故障；若重大故障，則對(duì)工業(yè)系統(tǒng)及時(shí)做出相應(yīng)措施，以免產(chǎn)生不必要的工業(yè)事故與財(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；變頻器；PLC

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-7394（2016）02-0045-04

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的逐漸提高，工業(yè)設(shè)備的集中監(jiān)控已然是大勢(shì)所趨，單純的人為巡檢工作不能夠及時(shí)、快速的處理已經(jīng)發(fā)生的故障。集中監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，能夠填補(bǔ)人為巡檢的弊端，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。

工業(yè)系統(tǒng)的狀況直接影響工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)利益，各生產(chǎn)設(shè)備的精確運(yùn)轉(zhuǎn)是工業(yè)系統(tǒng)的核心。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到集中監(jiān)控的目的，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的最大經(jīng)濟(jì)效益性，所以，生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)就成了工業(yè)控制領(lǐng)域的熱門問題。同時(shí)，提高工廠的自動(dòng)化與智能化水平程度，可以使我國(guó)的自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力加強(qiáng)。因此，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)研究與開發(fā)，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究思路

目前，變頻器在冶金、電力、機(jī)械等場(chǎng)合的應(yīng)用逐漸呈現(xiàn)出普遍化趨勢(shì)。在電機(jī)節(jié)能、調(diào)速以及工況改善等方面應(yīng)用的變頻器越來(lái)越多。在同一工業(yè)系統(tǒng)中，不同作用的變頻器分布在不同的位置空間，生產(chǎn)過程中，每一環(huán)節(jié)都需要監(jiān)視與控制。而對(duì)于分布在不同位置空間變頻器的集中監(jiān)控，則是必要的。

PLC作為一種通用的工業(yè)控制器，可用于機(jī)械、汽車、鋼鐵、化學(xué)、電力、造紙等各種工業(yè)領(lǐng)域。PLC的種類千差萬(wàn)別，但適應(yīng)工業(yè)環(huán)境具有可靠性極高的能力。編程與調(diào)試方便，能夠保證在調(diào)試過程中根據(jù)實(shí)際需求增加或減少對(duì)應(yīng)程序與節(jié)點(diǎn)數(shù)量。PLC可以將外部輸入的數(shù)據(jù)存入寄存器中，再與關(guān)聯(lián)的顯示屏或觸摸屏做寄存器數(shù)據(jù)映射，進(jìn)而顯示屏或觸摸屏將PLC的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)方便用戶查看。

在監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備選用上，為了保證系統(tǒng)實(shí)用性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)越的性能，選用工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的集成設(shè)備最合適，考慮到PLC具有使用方便、編程簡(jiǎn)單且具備超強(qiáng)可靠性的功能，且能夠與變頻器的自帶通訊端口通訊，將變頻器的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)通過串口讀入，故監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC做為監(jiān)控系統(tǒng)的控制設(shè)備最為合適。但PLC作為監(jiān)控系統(tǒng)的入口設(shè)備，并無(wú)顯示功能，增加觸摸屏作為監(jiān)控系統(tǒng)的顯示設(shè)備。如此，從硬件的組成上完成了變頻器的監(jiān)控系統(tǒng)。

本文所采用的PLC+觸摸屏監(jiān)控方式，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備數(shù)量與軟件設(shè)計(jì)工作量，從工業(yè)生產(chǎn)的角度講，更進(jìn)一步的縮短了系統(tǒng)開發(fā)的周期，也是一種新的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，具有相對(duì)重要的理論與應(yīng)用意義。

2 系統(tǒng)原理

監(jiān)控系統(tǒng)除了能夠反映與之相連接的變頻器的運(yùn)行參數(shù)，還能夠?qū)ψ冾l器近期運(yùn)行參數(shù)生成歷史趨勢(shì)圖，以便當(dāng)變頻器所在的工業(yè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，查閱是否由變頻器參數(shù)突變導(dǎo)致；變頻器若出現(xiàn)報(bào)警錯(cuò)誤或故障，監(jiān)控系統(tǒng)亦能夠及時(shí)顯示故障，并給出對(duì)應(yīng)故障的處理建議，以便操作人員準(zhǔn)確定位變頻器，并排除故障；若重大故障，則對(duì)工業(yè)系統(tǒng)及時(shí)做出相應(yīng)措施，以避免生命與財(cái)產(chǎn)損失。

變頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是在控制系統(tǒng)硬件支撐下的軟顯示，將低壓系統(tǒng)的各變頻器通過通訊串口串聯(lián)之后，最前端變頻器與控制系統(tǒng)硬件通訊，將變頻器的各狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)發(fā)送到硬件主控系統(tǒng)中，顯示面板從主控系統(tǒng)中將讀取的數(shù)據(jù)顯示，主控系統(tǒng)還承擔(dān)及時(shí)反映變頻器的報(bào)警及故障，并對(duì)相應(yīng)的報(bào)警及故障做出對(duì)應(yīng)的處理建議。

控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)得益于變頻器與PLC之間基于RS485串口的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通訊。將變頻器的參數(shù)、狀態(tài)信息通過RS485串口傳遞給PLC，并將信息解析用以顯示在HMI觸摸屏上，最終實(shí)現(xiàn)本控制系統(tǒng)的核心架構(gòu)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，以及實(shí)際需要，變頻器監(jiān)控系統(tǒng)選用Siemens S7-200 PLC做為控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收控制器；Siemens MP277觸摸屏做為人機(jī)交互顯示界面；同時(shí)選用Siemens EM277通訊模塊做為備用數(shù)據(jù)通訊接口，以便在監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的變頻器種類多或通訊協(xié)議不同時(shí)做為擴(kuò)展數(shù)據(jù)接口用。系統(tǒng)的三大主體設(shè)備如下：

3.1 Siemens S7-200 PLC

Siemens S7-200系列PLC，即可編程邏輯控制器，能夠控制各種設(shè)備以滿足自動(dòng)化控制的需求。S7-200包括了位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊通訊等功能，從而能夠監(jiān)控輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)以及達(dá)到控制的目的。S7-200PLC硬件與對(duì)外接口說明圖如圖1所示。

PLC的電源供電電壓為220VAC，對(duì)外端口包括數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO、模擬量輸入/輸出AI/AO以及RS232/485通訊端口，還包括一路外接的24VDC供電電源。在本變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中，主要用到的為RS485端口以及數(shù)字量輸入DI量，其中RS485端口用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與變頻器的數(shù)據(jù)通訊功能；數(shù)字量輸入DI為備用外接變頻器上端、下端與旁路的開關(guān)量信號(hào)所用，監(jiān)測(cè)變頻器是否帶電，是否與輸出負(fù)載連接，是否被旁路等相關(guān)信息；PLC的連接擴(kuò)展口是需要與擴(kuò)展通訊模塊EM277連接。

3.2 Siemens MP277 HMI

Siemens MP277 HMI是一款屬于“多功能操作平臺(tái)”類的觸摸屏，HMI內(nèi)自帶Microsoft WindowsCE 5.0標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。通過MP277 HMI可為用戶系統(tǒng)提供全方位的操作和監(jiān)視解決方案，使操作人員更好的掌握生產(chǎn)過程，使設(shè)備在最佳狀況下運(yùn)行。HMI操作面板的堅(jiān)固、緊湊和多樣化的特性，使其在任何時(shí)候都能集成于不同設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)中。

Siemens MP277 HMI為變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，系統(tǒng)中所有被監(jiān)控變頻器的對(duì)象信息、狀態(tài)、參數(shù)、歷史曲線、故障服警信息等都由該部分裝置顯示，并提供人員的操作界面。所以，HMI是除系統(tǒng)的處理器之外最重要的部分，為了能有良好的處理界面與人性化的可視界面，選用的是10.4”大尺寸屏的MP277 HMI。MP277 HMI的外觀示意圖如圖2所示。

3.3 Siemens EM277通訊模塊

本系統(tǒng)中配置EM277模塊是為了擴(kuò)展PLC的通訊端口，系統(tǒng)為變頻器預(yù)留2個(gè)RS485口，PLC和觸摸屏連接也需要一個(gè)RS485接口，故，擴(kuò)展EM277模塊與觸摸屏通訊用?？刂葡到y(tǒng)為變頻器預(yù)留兩個(gè)RS485口的意義在于變頻器監(jiān)控系統(tǒng)至少能夠?qū)崿F(xiàn)支持兩種協(xié)議的通訊方式。

EM277供電電源為24VDC，可從PLC的24V電源引入，亦可選用外供24VDC直流電源供電，本系統(tǒng)直接從PLC的24VDC引入EM277作為其供電電源，以避免外接24VDC電源出現(xiàn)損壞導(dǎo)致EM277非正常斷電可能性。EM277示意圖如圖3所示。至此，監(jiān)控系統(tǒng)的三大主體設(shè)備已經(jīng)選擇完成，由于PLC程序設(shè)計(jì)與觸摸屏組態(tài)設(shè)計(jì)的靈活與方便性，使得本文中設(shè)計(jì)的變頻器監(jiān)控系統(tǒng)靈巧可變，運(yùn)行穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，操作方便，如圖4所示，為變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)界面圖。對(duì)于變頻器監(jiān)控系統(tǒng)中的每臺(tái)變頻器，都配備一組系統(tǒng)化的界面，顯示該變頻器的運(yùn)行參數(shù)、節(jié)能節(jié)電量、歷史趨勢(shì)、故障/報(bào)警處理建議等。

4 結(jié)語(yǔ)

PLC+觸摸屏的監(jiān)控方式，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了集中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備數(shù)量與軟件設(shè)計(jì)工作量，從工業(yè)生產(chǎn)的角度講，更進(jìn)一步的縮短了系統(tǒng)開發(fā)的周期，也是一種新的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，具有相對(duì)重要的理論意義。

在變頻器監(jiān)控系統(tǒng)的研究中，還有利用總線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的方式，而基于PLC利用通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的方式，是相對(duì)最穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)性較好的方式，在目前的工業(yè)應(yīng)用中，此方式實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)最普遍，可靠性最高，實(shí)時(shí)性也能夠滿足用戶需求。市場(chǎng)推廣潛力更大。在同類監(jiān)控系統(tǒng)中，PLC做為監(jiān)控器的方式從硬件上具有設(shè)備簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)；從軟件方面具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，程序可調(diào)試程度強(qiáng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)。

責(zé)任編輯 祁秀春